地球巖石圈位於軟流圈之上,作為連接地球深部與表層生物圈的橋梁,對生物地球化學循環起到了關鍵作用。而巖石圈中蘊含的非生物成因有機質不僅參與了深部碳循環,並且對深部生物圈以及地球早期生命起源具有重要的指示意義。
根據位置不同,巖石圈中的非生物有機質可以在深部地幔及巖漿冷卻過程中形成(>400–500℃);也可以在淺部通過水巖反應合成(<400–500℃)。其中,超基性巖在中低溫水巖反應形成蛇紋巖的過程稱為蛇紋石化,該過程中橄欖石或輝石與水發生氧化還原反應產生大量氫氣,為二氧化碳還原形成非生物有機質提供關鍵原材料。自然條件下蛇紋石化過程中二氧化碳/一氧化碳會和氫氣發生費託合成反應(Fischer-Tropsch-type synthesis),催化生成熱液流體中的簡單有機分子(例如甲烷、短鏈烷烴以及甲酸等有機酸);而對較為複雜的長鏈碳氫化合物的識別往往受到生物成因有機質的幹擾。
前人利用實驗室微區原位實驗技術,識別出了洋中脊蛇紋巖中與次生粘土礦物有關的固態有機質,並提出這些粘土礦物參與催化的Friedel–Crafts反應(<200℃)可能在有機質合成中起到了關鍵作用。然而巖石圈中其他大量存在的催化性礦物(如鐵氧化物)對非生物有機合成的直接證據卻相對較少。並且,人們對自然條件下巖石礦物在納米尺度的物理化學效應對非生物有機合成的影響也缺乏了解。
最近,中國科學院深海科學與工程研究所彭曉彤團隊與荷蘭烏得勒支大學的研究人員合作,對西太平洋雅浦海溝蛇紋巖中固態有機質的納米地球化學特徵進行了研究。
研究人員利用「蛟龍」號載人深潛器,在雅浦海溝水深6413米的區域採取了蛇紋石化橄欖巖(圖1)。通過高解析度電子顯微鏡結合原位振動光譜技術,研究人員發現,蛇紋巖中的固態有機質存在於在一些微米級磁鐵礦晶粒周圍以及與納米級鐵氧化物相關的蛇紋石納米孔隙中(圖2)。這些有機質由脂肪族和芳香族化合物組成,但未發現含有與生物成因有機質相關的信息(圖3)。
圖1 馬裡亞納-雅浦海溝俯衝帶區域以及取樣位置
圖2 掃描和透射電子顯微鏡圖像展示了有機質與鐵氧化物以及蛇紋巖納米孔的空間關係
圖3 雷射拉曼和納米紅外光譜結果指示蛇紋巖中有機質由脂肪族和芳香族化合物組成
研究指出:蛇紋巖納米孔和納米級催化活性礦物的物理化學特性可能對自然系統中有機質的非生物合成起到了關鍵作用,進而為深部生物圈的能量來源,以及地球早期生命起源過程中關鍵有機組分的合成提供重要啟示。
上述研究成果在線發表於最新一期的Geology雜誌,第一作者為深海所博士生南景博,通訊作者為彭曉彤研究員以及荷蘭烏得勒支大學Oliver Plümper助理教授,合作者包括荷蘭烏得勒支大學Helen E. King助理教授,博士生Guusje Delen,Florian Meirer副教授,Bert M. Weckhuysen教授以及河北師範大學郭自曉博士。該項研究得到國家重點研發計劃等項目的資助。
Nan, J., King, H.E., Delen, G., Meirer, F., Weckhuysen., B.M., Guo, Z., Peng, X.*, and Plümper, O.*, 2020. The nanogeochemistry of abiotic carbonaceous matter in serpentinites from the Yap Trench, western Pacific Ocean: Geology, v. 49
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